물 전기분해를 통한 청정 수소 에너지 생산
산업 혁명 이후 화석 연료의 과도한 사용은 온실가스 농도 증가로 인한 지구 온난화, 기상 이변 등의 심각한 환경 문제뿐만 아니라, 화석 연료의 고갈로 인한 에너지 위기를 야기했다. 이 두 가지 중대한 문제를 한꺼번에 해결할 방법은 무엇일까? 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지원을 찾는 것이다. 그 에너지원이 가져야 할 미덕은 무엇일까? 고갈되지 않고 지속 가능하며, 생산할 때와 소비하는 과정 모두에서 온실가스나 유해 물질을 배출하지 않는 것이다. 이를 보통 친환경 신재생 에너지원이라 부른다. △태양광 △지열 △풍력 △조력 등 신재생 에너지원은 환경에 무해하고 지속할 수 있지만, △낮과 밤 △계절 △기온 차 등 시간과 장소에 따라 그 활용도가 달라진다. 수소 에너지는 화학 결합 형태로 많은 양의 전기 에너지를 저장할 수 있고, 사용하면서 환경에 유해한 물질을 배출하지 않는 큰 장점이 있어 화석 연료를 대체할 수 있는 미래의 에너지원으로 주목받고 있다. 특히, 수소 연료를 생산하는 다양한 방법 중, 물의 전기분해로 수소를 생산하는 수전해 방식은 생산 과정에서 온실가스를 배출하지 않기 때문에 고순도의 수소 연료를 친환경적이고 지속 가능한 방식으로 생산할 방법이다. 이렇게 생산된 수소는 연료전지에서 산소와의 전기화학적 반응을 통해 전기 에너지로 전환되므로, 환경 유해 물질을 거의 배출하지 않는 궁극적인 친환경 신재생 에너지원이라 할 수 있다.  
수전해란 물을 전기분해 해 수소 연료를 생산하는 기술이다. 열역학적인 관점으로 볼 때, 물 분자(H2O) 내 화학결합을 끊고 수소(H2)와 산소(O2)로 분리하는 수전해 반응은 흡열 반응으로, 전해질에 열역학적 에너지 차이에 해당하는 1.23V 이상의 전압을 가해서 수소가 생성되는 환원 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)과 산소가 생성되는 산화 반응이 함께 일어난다. 하지만 수전해 반응을 구동하기 위해서는 열역학적 에너지 차이에 해당하는 평형 전압(1.23V)뿐만 아니라, 추가적인 활성화 에너지 장벽이 존재한다. 이런 활성화 에너지 장벽을 낮추고, 작은 전압으로 많은 양의 수소를 생산하기 위해서는 효율적인 촉매 소재의 도움이 필요하다. 
전기화학적인 수전해 반응은 염기성 또는 산성의 전해질 하에서 모두 이뤄질 수 있다. 염기성 전해질 하에서 이뤄지는 알칼라인 수전해의 경우 산성 수전해에 비해 비귀금속 촉매 물질을 사용할 수 있어 수소 생산 단가를 상당히 낮출 수 있고, 비교적 오랜 시간 운용될 수 있다는 큰 장점을 지닌다. 이런 단가 및 안정성 측면의 장점에도 불구하고, 알칼라인 수전해는 느린 환원 반응 속도로 인해 동일한 양의 수소 연료를 생산하기 위해 더 높은 전압이 필요하다. 알칼라인 HER의 느린 반응 속도와 낮은 수소 생산 효율은 수전해 기술의 발전과 상용화에 큰 걸림돌이다.

효율적인 수소 생산 촉매를 만드는 법
이상적인 수전해 촉매는 전압 손실을 낮추고 반응 속도를 향상할 뿐만 아니라, 오랜 시간 안정적으로 구동할 만큼 튼튼해야 한다. 그리고 한 가지 더, 값이 싸야 한다. 즉 △활성 △내구성 △비용 3가지 기준을 모두 만족해야 한다. 현재까지 많은 수전해 촉매 개발 연구가 이뤄져 왔지만, 백금과 같은 귀금속 물질이 활성과 내구성 모두 좋아 값이 비싸다는 큰 단점이 있었다. 물 전기분해를 통해 생산되는 수소 연료의 단가를 낮추기 위해서는 효율적인 비귀금속 촉매 소재의 개발이 필요하다. 수전해 촉매 반응은 기본적으로 수소 이온과 같은 반응물이 촉매 표면에 흡착되는 것에서 시작한다. 그 계면에서 전자를 주고받아 흡착물 간의 결합을 통해 최종 생성물인 수소 분자 형태로 탈착이 일어나게 된다. 다양한 촉매 표면에서 수소에 대한 흡착 세기와 HER 활성도를 그래프로 나타낸 Volcano Plot에 따르면, 우수한 활성을 보이는 촉매일수록 수소에 대한 흡착이 너무 강하지도, 너무 약하지도 않은 최적의 흡착 세기를 보인다. 따라서 HER 촉매 연구자들은 가장 적합한 수소 흡착 에너지를 갖는 소재를 개발하는 데 집중해왔다. 하지만, 염기성 전해질 하에서 반응이 일어나는 알칼라인 수전해의 경우, 추가적인 물 분자의 해리 및 중간 생성물인 수산화 이온(OH -)에 대한 흡·탈착 반응이 존재하므로, 알칼라인 HER의 느린 반응 속도를 향상하기 위해서는 새로운 관점이 필요하다. 
또한, 흡·탈착 반응을 비롯한 수전해 반응은 대부분 촉매 표면에서 일어나므로, 많은 양의 수소를 효율적으로 생산하기 위해서는 촉매 표면적을 넓히는 것이 중요하다. 나노 물질은 촉매 반응이 일어나는 표면적이 압도적으로 넓기 때문에, 기존 물질보다 상당히 향상된 촉매 성능을 보일 수 있다. 이에 따라 나노 기술의 발전과 함께, 수전해 촉매 연구자들은 나노 입자, 나노 와이어 등 다양한 형태의 나노 물질을 합성하고 이를 수전해 촉매 전극으로 적용하고자 하는 시도를 해왔다.

니켈을 통한 수소 생산 효율 극대화
본 연구팀은 수소 생산 기술의 상용화를 앞당기기 위해, 최근 값싸고 쉽게 구할 수 있는 니켈 물질을 촉매 전극으로 사용해 물을 전기분해 해 수소 연료를 효율적으로 생산할 방법을 개발해냈다. 기존의 수전해 촉매 전극 개발 연구는 △나노 구조체 합성의 한계 △재료의 제한 △복잡한 구조로 인해 촉매 활성의 원인을 파악하는 데 어려움이 있었고, 따라서 원하는 연료인 수소를 효율적으로 생산하는 데 최적화된 촉매 특성 제어에 한계가 있었다. 이번 연구에서는 친산소성 전이 금속 도핑을 통해 조절된 촉매 흡착 특성과 알칼라인 수소 발생 반응 효율 간의 상관관계를 탐구했다. 니켈 표면에 대한 친산소성 전이 금속 도핑은 반응 중간체인 수소 및 수산화 이온에 대한 흡착 세기의 체계적인 제어를 가능케 하며, 이를 통해 본 연구팀은 수산화 이온에 대한 촉매 흡착 세기가 물 분해 환원 반응 속도에 대해 화산 관계(Volcano Relation)를 갖는다는 것을 세계 최초로 규명했다. 또한, 연구팀은 나노 물질을 기판에 증착(蒸着)하는 공정에서 기판을 기울이거나 회전하는 간단한 방법으로 다양한 촉매 물질의 나노 구조를 쉽게 구현할 수 있는 ‘경사각 증착법’을 도입해, 넓은 표면적, 전하·이온 이동 통로를 지니는 등 촉매 반응에 효과적인 ‘3차원 나노 스프링 어레이 구조’를 구현했다. 최적의 물질, 최적의 나노 구조 조합을 통해 귀금속 백금 촉매를 대체할 수 있는 고활성·고안정성 비귀금속 ‘3차원 나노 스프링 촉매 전극’을 개발했으며, 이렇게 제작된 나노 스프링 어레이 구조는 기존 니켈 박막 촉매와 비교해 과전압을 4배 이상 감소시키는 등 수소 생산 효율을 극대화할 수 있음을 확인했다. 이번 연구 성과는 우수성을 인정받아 화학 분야 세계적 학술지인 Journal of the American Chemical Society에 표지 논문으로 선정됐다.

기대 전망과 도전과제
2050년 탄소 중립을 목표로 수소 경제 사회 육성에 적극적으로 나선다는 정부 계획에 따라 화석 연료에서 수소로 에너지 체계를 전환하는 수소 경제 사회가 급부상하고 있다. 이에 따라 △현대 △포스코 △SK 등 다른 대기업들도 대규모 수소 생산 기술 사업 확대에 박차를 가하고 있다. 차세대 수소 중심 사회의 실현을 위해서는 값싸고 효율적인 촉매 소재의 개발이 필수적이며, 연구진이 개발한 비귀금속 나노 촉매 소재 기술의 대면적화 및 안정성 향상을 위해 기업과의 협력 연구를 진행한다면 수전해 기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것이라 기대한다. 
본 연구는 수전해 촉매의 성능 향상 및 제작 단가 절감을 위해 고성능 이종 금속 나노구조 촉매 소재 설계 원리와 개발 방법론을 제시했다. 그로부터 전기화학적 수전해 분야의 학문적 토대와 상용화를 위한 원천 기술을 마련했다. 개발한 촉매 소재 설계 원리를 △광 에너지 변환 시스템 △연료전지 △이산화탄소 환원 등의 신재생 에너지-연료 전환 시스템과 접목한다면 미래 에너지 문제를 해결할 방법 중 하나가 될 것으로 생각한다.